化工仪表级自动化课后答案--第版全面版.doc

化工仪表级自动化课后答案--第版全面版资料
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2、化工自动化主要包括哪些内容？
一般要包括自动检测、自动保护、自动操纵和自动控制等方面的内容。
4、自动控制系统主要由哪些环节组成？
自动控制系统主要由测量元件与变送器、自动控制器、执行器和被控对象等四个环节组成。
6、图为某列管式蒸汽加热器控制流程图。试分别说明图中PI-307、TRC-303、FRC-305所代表的意义。

PI-307表示就地安装的压力指示仪表，工段号为3，仪表序号为07；
TRC-303表示集中仪表盘安装的，具有指示记录功能的温度控制仪表；工段号为3，仪表序号为03；
FRC-305表示集中仪表盘安装的，具有指示记录功能 的流量控制仪表；工段号为3，仪表序号为05。
11、图所示为一反应器温度控制系统示意图。A、B两种物料进入反应器进行反应，通过改变进入夹套的冷却水流量来控制反应器内的温度不变。试画出该温度控制系统的方块图，并指出该系统中的被控对象、被控变量、操纵变量及可能影响被控变量的干扰是什么？

图 反应器温度控制系统
该温度控制系统的方块图

反应器温度控制系统方块图
其中，被控对象：反应器；被控变量：反应器内的温度；操纵变量：冷却水流量。
可能影响被控变量的干扰因素主要有A、B两种物料的温度、进料量，冷却水的压力、温度，环境温度的高低等。
21、某化学反应器工艺规定操作温度为(900±10)℃。考虑安全因素，控制过程中温度偏离给定值最大不得超过80℃。现设计的温度定值控制系统，在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如题1-19图所示。试求该系统的过渡过程品质指标：最大偏差、超调量、衰减比、余差、振荡周期和过渡时间（被控温度进入新稳态值的±1%（即900´（±1%）=±9℃）的时间），并回答该控制系统能否满足题中所给的工艺要求？

题1-19图 温度控制系统过渡过程曲线
解 最大偏差A=950-900=50（℃）；
超调量B=950-908=42（℃）；
由于B¢=918-908=10（℃），所以，衰减比n=B:B¢；
余差C=908-900=8℃；
振荡周期T=45-9=36(min)；
过渡时间ts=47min。
因为A=50℃<80℃，C=8℃<10℃，所以，该控制系统能满足题中所给的工艺要求。
22、题l-20(a) 图是蒸汽加热器的温度控制原理图。试画出该系统的方块图，并指出被控对象、被控变量、操纵变量和可能存在的干扰是什么？现因生产需要，要求出口物料温度从80℃提高到81℃，当仪表给定值阶跃变化后，被控变量的变化曲线如题1-20(b) 图所示。试求该系统的过渡过程品质指标：最大偏差、衰减比和余差（提示：该系统为随动控制系统，新的给定值为81℃）。

题1-20图 蒸汽加热器温度控制
解 蒸汽加热器温度控制系统的方块图如下图所示。

题解1-20图 蒸汽加热器温度控制系统方块图
其中：被控对象是蒸汽加热器；被控变量是出口物料温度；操纵变量是蒸汽流量。
可能存在的干扰主要有：进口物料的流量、温度的变化；加热蒸汽的压力、温度的变化；环境温度的变化等。
该系统的过渡过程品质指标：
最大偏差A-（℃）；
由于B-（℃），B¢-（℃），所以，衰减比n=B:B¢=0.8:0.2=4；
余差C-81= -（℃）。
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8、反映对象特性的参数有哪些？各有什么物理意义？
解：放大系数K、时间常数T和滞后时间t
放大系数K在数值上等于对象（重新）处于稳定状态时的输出变化量与（引起输出变化的）输入变化量之比，即

对象的放大系数K越大，就表示对象的输入量有一定变化时，对输出量的影响越大，或被控变量对这个量的变化就越灵敏，所以，K实质上是对象的灵敏度。
时间常数T是指当对象受到阶跃输入作用后，被控变量达到新的稳态值的63.2%所需时间；或当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如果保持初始变化速度变化，达到新的稳态值的时间。
时间常数越大，被控变量的变化也越慢，达到新的稳态值所需的时间也越大
对象在受到输入作用后，被控变量却不能立即而迅速地变化的现象称为滞后现象；或输出变量的变化落后于输入变量的变化的现象称为滞后现象。滞后现象用滞后时间t表示。
对象的滞后时间t，使对象的被控变量对输入的变化响应滞后，控制不及时。
P101
5、某一标尺为0~1000℃的温度仪表出厂前经校验，其刻度标尺上的各点测量结果分别为：
标准表读数/℃

0
被校表读数/℃

1
(1)求出该温度仪表的最大绝对误差值；
(2)确定该温度仪表的精度等级；
(1) 校验数据处理：
标准表读数/℃

0
被校表读数/℃

1
绝对误差/℃
0
+1
+2
+4
+6
+5
+3
+1
由以上数据处理表知，最大绝对误差：+6℃；
(2)仪表误差：，
仪表的精度等级应定为级；
6、如果有一台压力表，其测量范围为0~10MPa，经校验得出下列数据：
标准表读数/MPa
0
2
4
6
8
10
被校表正行程读数/MPa
0
L 98

被校表反行程读数/MPa
0

(1)求出该压力表的变差；
(2)问该压力表是否符合1．0级精度？
解 （1）校验数据处理：
标准表读数/MPa
0
2
4
6
8
10
被校表正行程读数/MPa
0
1 98

被校表反行程读数/MPa
0

压力表的变差/%
0

被校表正、行程读数平均值
/MPa
0

仪表绝对误差/ MPa
0

-

由以上数据处理表知，该压力表的变差：1.2%；
（2）仪表误差：；
但是，由于仪表变差为1.2%>1.0%，所以该压力表不符合级精度。
20、某压力表的测量范围为0～1MPa，精度等级为级，试问此压力表允许的最大绝对误差是多少？若用标准压力计来校验该压力表，在校验点为时，标准压力计上读数为，试问被校压力表在这一点是否符合1级精度，为什么？
解：压力表允许的最大绝对误差为
Dmax´
在校验点处，绝对误差为
D-0.508=-0.008(MPa)
该校验点的测量误差为

故该校验点不符合级精度。
21、为什么测量仪表的测量范围要根据测量大小来选取？选一台量程很大的仪表来测量很小的参数值有何问题？
解 ：（1）为了保证敏感元件能在其安全的范围内可靠地工作，也考虑到被测对象可能发生的异常超压情况，对仪表的量程选择必须留有足够的余地，但还必须考虑实际使用时的测量误差，仪表的量程又不宜选得过大。
（2）由于仪表的基本误差Dm由其精度等级和量程决定，在整个仪表测量范围内其大小是一定的，选一台量程很大的仪表来测量很小的参数值这样会加大测量误差。
22、如果某反应器最大压力为，允许最大绝对误差为。现用一台测量范围为，精度为级的压力表来进行测量，问能否符合工艺上的误差要求？若采用一台测量范围为，精度为级的压力表，问能符合误差要求吗？试说明其理由。
解 用、精度为级的压力表来进行测量的基本误差
D1max´1.0%=0.016MPa>0.01MPa(允许值)
该表不符合工艺上的误差要求。
用、精度为级的压力表来进行测量的基本误差
D2max´1.0%=0.01MPa>0.01MPa(允许值)
该表符合工艺上的误差要求。
23、某台空压机的缓冲器，其工作压力范围为，工艺要求就地观察罐内压力，并要求测量结果的误差不得大于罐内压力的±5％，试选择一台合适的压力计(类型、测量范围、精度等级)，并说明其理由。
解 空压机缓冲器内压力为稳态压力，其工作压力下限pmin，工作压力上限pmax。设所选压力表量程为p，则根据最大、最小工作压力与选用压力表量程关系，有

根据压力表量程系列（附表1），可选YX-150型、测量范围为的电接点压力表。
根据测量误差要求，测量的最大误差为
Dmax£´5%=0.055(MPa)
则所选压力表的最大引用误差应满足

要求，故可选精度等级为级的压力表。
24、某合成氨厂合成塔压力控制指标为14MPa，要求误差不超过，试选用一台就地指示的压力表(给出型号、测量范围、精度等级)。
解 合成塔控制压力14MPa为高压，设所选压力表的量程为p，则

根据压力表量程系列（附表1），可选YX-150型、测量范围为0~25MPa的电接点压力表。
根据测量误差要求，所选压力表的最大允许误差应满足

要求，故可选精度等级为级的压力表。
37、用转子流量计来测气压为、温度为40℃的CO2气体的流量时，若已知流量计读数为50L/s，求CO2的真实流量（已知CO2在标准状态时的密度为／m3）。
解 由题知：p0，p1=0.65+0.101325=0.751325(MPa)；T0=293K，
T1=273+40=313（K）；r0=/Nm3；r1=/Nm3，Q0=50L/s。则

38、用水刻度的转子流量计，测量范围为0～10L/min，转子用密度为7920kg／m3的不锈钢制成，若用来测量密度为／L苯的流量，问测量范围为多少？若这时转子材料改为由密度为2750kg／m3的铝制成，问这时用来测量水的流量及苯的流量，其测量范围各为多少？
解 由题知rt=7920kg／m3，rf=／L=831kg／m3，rW=1000／m3，Q0=10 L/min
测苯的流量的修正系数为

Qr=Q0/KQ»11.1(L/min)
所以，苯的流量测量范围为0～11.1L/min。
当转子材料改为铝时，rr=2750kg／m3，此时测水的流量的修正系数为

Qr0=Q0/KrQ=10/2=5(L/min)
所以，此时测水的流量的测量范围为0～5L/min
测苯的流量的修正系数为

Qrf=Qr0/KfQ（L/min）
所以，此时测苯的流量的测量范围为0～5.75L/min。
50、什么是液位测量时的零点迁移问题?怎样进行迁移?其实质是什么?（参考）
答 （1）当被测容器的液位H=0时，差压液位计所感受的压差Dp≠0的现象，称为液位测量时的零点迁移
在使用差压变送器测量液位时，一般压差 与液位高度H之间的关系为： =  。这就是一般的“无迁移”的情况。当H＝o时，作用在正、负压室的压力是相等的。
实际应用中，有时为防止容器内液体和气体进入变送器而造成管线堵塞或腐蚀，并保持负压室的液柱高度恒定，在变送器正、负压室与取压点之间分别装有隔离罐，并充以隔离液设被测介质密度为 ，隔离液密度为 ：(通常 )，此时正、负压室的压力分别为：
正负压室间的压差为：
当H=0时， ，此为“有迁移”情况。
若采用的是DDZ—Ⅲ型差压变送器，其输出范围为4～20mA的电流信号。“无迁移”时，
H＝0， ＝0，变送器输出 ＝4mA； 。“有迁移”时，H＝0， 为了使液位的零值与满量程能与变送器输出的上、下限值相对应，即在“有迁移”情况下，使得当H＝0时， 。可调节仪表上的迁移弹簧，以抵消固定压差 的作用，此为“零点迁移”方法。这里迁移弹簧的作用，其实质就是改变测量范围的上、下限，相当于测量范围的平移，它不改变量程的大小。
52、测量高温液体(指它的蒸汽在常温下要冷凝的情况)时，经常在负压管上装有冷凝罐(见题3-48图)，问这时用差压变送器来测量液位时，要不要迁移？如要迁移，迁移量应如何考虑？
解：差压液位计正压室压力
p1=rgh1+ rgH+p0
负压室压力
p2=rgh2+ p0
正、负压室的压差
Dp=p1-p2= rgH-(h2-h1) rg
H=0时，Dp= -(h2-h1) rg。
这种液位测量时，具有“负迁移”现象，为了使H=0时，Dp=0，该差压变送器测液位时需要零点迁移，迁移量为(h2-h1) rg
59、常用的热电偶有哪几种？所配用的补偿导线是什么？为什么要使用补偿导线？并说明使用补偿导线时要注意哪几点？
解：（1）常用的热电偶有如下几种：

（2）所配用的补偿导线如下：

（3）用廉价的补偿导线代替热电偶使冷端远离热端不受其温度场变化的影响并与测量电路相连接。使用补偿导线时要注意：在一定的温度范围内，补偿导线与配对的热电偶具有相同或相近的热电特性；保持延伸电极与热电偶两个接点温度相等。
60、用热电偶测温时，为什么要进行冷端温度补偿？其冷端温度补偿的方法有哪几种？
解：（1）热电偶的热电势只有当T0（或t0）恒定是才是被测温度T（或t）的单值函数。热电偶标准分度表是以T0＝0℃为参考温度条件下测试制定的，只有保持T0＝0℃，才能直接应用分度表或分度曲线。若T0≠0℃，则应进行冷端补偿和处理。
（2）冷端温度补偿的方法有：延长导线法，0℃恒温法，冷端温度修正法，冷端温度自动补偿法等。
63、现用一支镍铬-铜镍热电偶测某换热器内的温度，其冷端温度为30℃，显示仪表的机械零位在0℃时，这时指示值为400℃，则认为换热器内的温度为430℃对不对？为什么？正确值为多少度？
解 认为换热器内的温度为430℃不对。
设换热器内的温度为t，实测热电势为E(t，30)，根据显示仪表指示值为400℃，则有E(t，30)= E(400，0)，由中间温度定律并查镍铬-铜镍（E型）热电偶分度表，有
E(t，0)= E(t，30)+ E(30，0)= E(400，0)+ E(30，0)=28943+1801=30744mV
反查镍铬-铜镍热电偶分度表，得换热器内的温度t=℃
64、测温系统如图3-17所示。请说出这是工业上用的哪种温度计？已知热电偶的分度号为K，但错用与E配套的显示仪表，当仪表指示为160℃时，请计算实际温度tx为多少度？(室温为25℃)

图3-17 测温系统图
解 这是工业上用的热电偶温度计。查分度号E，可得160℃时的电势为10501μV，这电势实际上是由K热电偶产生的，即

查分度号K，可得，由此可见，

由这个数值查分度号K，可得实际温度tx=283℃。

67、用分度号为Ptl00铂电阻测温，在计算时错用了Cul00的分度表，查得的温度为140℃，问实际温度为多少？
解 查Cul00的分度表，140℃对应电阻为W，而该电阻值实际为Ptl00铂电阻测温时的电阻值，反查Ptl00的分度表，得实际温度为157℃
69、说明热电偶温度变送器、热电阻温度变送器的组成及主要异同点。
热电偶温度变送器的结构大体上可分为三大部分：输入桥路、放大电路及反馈电路。
热电阻温度变送器的结构大体上也可分为三大部分：输入桥路、放大电路及反馈电路。
热电阻温度变送器和热电偶温度变送器比较，放大电路是通用的，只是输入电路和反馈电路不同。
P151
1、气动执行器主要由哪两部分组成？各起什么作用？
气动执行器由执行机构和控制机构（阀）两部分组成。执行机构是执行器的推动装置，它根据控制信号（由控制器来）压力的大小产生相应的推力，推动控制机构动作，所以它是将信号压力的大小转换为阀杆位移的装置。控制机构是指控制阀，它是执行器的控制部分，它直接与被控介质接触，控制流体的流量，所以它是将阀杆的位移转换为流过阀的流量的装置。
2、控制阀的结构形式主要有哪些？各使用在什么场合？
直通单座控制阀 应用于小口径、低压差的场合。
直通双座控制阀
角型控制阀 适用于现场管道要求直角连接，介质为高黏度、高压差和含有少量悬浮物和固体颗粒的场合。
三通控制阀 配比控制或旁路控制
隔膜控制阀 适用于强酸、强碱、强腐蚀性介质的控制，也能用于含少量纤维或悬浮颗粒状介质的控制。
蝶阀 大口径、大流量、低压差，含少量纤维或悬浮颗粒状介质
球阀 适用于高黏度和污秽介质的控制
凸轮挠曲阀 用于高黏度灬带有悬浮物的介质流量控制
笼式阀 压差大，要求噪声小的场合。对高温、高黏度及含固体颗粒的介质不适用
书P141
4、试分别说明什么叫控制阀的流量特性和理想流量特性？ 常用的控制阀理想流量特性有哪些？
解 控制阀的流量特性是指操纵介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（相对位移）间的关系：

式中，相对流量Q/Qmax是控制阀某一开度时流量Q与全开时流量Qmax之比；相对开度l/L是控制阀某一开度行程l与全开行程L之比。
在不考虑控制阀前后压差变化时得到的流量特性称为理想流量特性。主要有：
¨直线流量特性 ；
¨等百分比（对数）流量特性 ；
¨抛物线流量特性 ；
¨快开流量特性
等四种。
11、什么叫气动执行器的气开式与气关式？其选择原则是什么？
答 随着送往执行器的气压信号的增加，阀逐渐打开的称为气开式，反之称为气关式。气开、气关式的选择主要是由工艺生产上安全条件决定的。一般来讲，阀全开时，生产过程或设备比较危险的选气开式；阀全关时，生产过程或设备比较危险的应选择气关式。
16试述电-气阀门定位器的用途。
答 电一气阀门定位器除了能将电信号转换为气信号外，还能够使阀杆位移与送来的信号大小保持线性关系，即实现控制器来的输人信号与阀门位置之间关系的准确定位，故取名为定位器。定位器可以使用在阀的不平衡力较大或阀杆移动摩擦力较大等场合，同时还可以利用定位器来改变阀的流量特性，改变执行器的正、反作用。在分程控制中，利用定位器可以使阀在不同的信号段范围内作全行程移动。
P168
1、简单控制系统由哪几部分组成？各部分的作用是什么？
简单控制系统由检测变送装置、控制器、执行器及被控对象组成。
检测变送装置的作用是检测被控变量的数值并将其转换为一种特定输出信号。
控制器的作用是接受检测装置送来的信号，与给定值相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果送往执行器。
执行器能自动地根据控制器送来的控制信号来改变操纵变量的数值，以达到控制被控变量的目的。
被控对象是指需要控制其工艺参数的生产设备或装置。
7、操纵变量的选择应遵循哪些原则？
（1）操纵变量应是工艺上允许加以控制的可控变量；
（2）操纵变量应是对被控变量影响诸因素中比较灵敏的变量，即控制通道的放大系数要大一些，时间常数要小一些，纯滞后时间要尽量小；
（3）操纵变量的选择还应考虑工艺的合理性和生产的经济性。
2、和12题7-2图是一反应器温度控制系统示意图。试画出这一系统的方块图，并说明各方块的含义，指出它们具体代表什么？假定该反应器温度控制系统中，反应器内需维持一定温度，以利反应进行，但温度不允许过高，否则有爆炸危险。试确定执行器的气开、气关型式和控制器的正、反作用。

题7-2图 反应器温度控制系统
解 该反应器温度控制系统方块图如下图所示。

题解7-2图 反应器温度控制系统方块图
其中：被控对象是反应器；被控变量是反应器内温度；操纵变量是蒸汽流量；控制器是温度控制器TC。
根据工艺要求，执行器应为气开型式；蒸汽流量增加时，反应器内温度升高，被控对象是“正”作用；所以，控制器应为“反”作用。
13、试确定题7-13图所示两个系统中执行器的正、反作用及控制器的正、反作用。
（1）题7-13(a) 图为一加热器出口物料温度控制系统，要求物料温度不能过高，否则容易分解；
（2）题7-13(b) 图为一冷却器出口物料温度控制系统，要求物料温度不能太低，否则容易结晶。

题7-13图 温度控制系统
解 （1）根据工艺要求，题7-13(a) 图所示加热器出口物料温度控制系统，执行器应为气开阀；加热剂流量增加时，加热器内温度升高，被控对象是“正”作用，所以，控制器应为“反”作用。
（2）根据工艺要求，题7-13(b) 图所示冷却器出口物料温度控制系统，执行器应为气开阀；冷剂流量增加时，冷却器内温度降低，被控对象是“反”作用，所以，控制器应为“正”作用。
3、试简述家用电冰箱的工作过程，画出其控制系统的方框图。

14、题7-14图为贮槽液位控制系统，为安全起见，贮槽内液体严格禁止溢出，试在下述两种情况下，分别确定执行器的气开、气关型式及控制器的正、反作用。
（1）选择流入量Qi为操纵变量；（2）选择流出量Qo为操纵变量。

题7-14图 液位控制
解 （1）当选择流入量Qi为操纵变量时，为满足贮槽内液体严格禁止溢出的工艺要求，执行器应为气开阀；由于被控对象是“正”作用，所以，控制器应为“反”作用。
（2）当选择流入量Qo为操纵变量时，为满足贮 槽内液体严格禁止溢出的工艺要求，执行器应为气关阀；此时被控对象是“反”作用，所以，控制器应为“反”作用。
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5、题8-7图所示为聚合釜温度控制系统。试问：
（1）这是一个什么类型的控制系统？试画出它的方块图；
（2）如果聚合釜的温度不允许过高，否则易发生事故，试确定控制阀的气开、气关型式；
（3）确定主、副控制器的正、反作用；
（4）简述当冷却水压力变化时的控制过程；
（5）如果冷却水的温度是经常波动的，上述系统应如何改进？
（6）如果选择夹套内的水温作为副变量构成串级控制系统，试画出它的方块图，并确定主、副控制器的正、反作用。

题8-5图 聚合釜温度控制系统
解 （1）这是一个温度-流量串级控制系统，其方块图如下：

题解8-5图1 温度-流量串级控制系统的方块图
其中：主对象是聚合釜，主变量是聚合釜内的温度，主控制器是温度控制器TC；副对象是冷却水管道，副变量是冷却水流量，副控制器是流量控制器FC；操纵变量是冷却水流量。
（2）如果聚合釜的温度不允许过高，控制阀应为气关型式（“反”作用）。
（3）由于副变量就是操纵变量（冷却水流量）本身，所以副对象是“正”作用，因此副控制器FC为“正”作用。
当主变量（聚合釜内的温度）增加时，要使主变量减小，要求控制阀关小；副变量（冷却水流量）增加时，要使副变量减小，要求控制阀关大。因此主控制器TC应为“正”作用。
（4）当冷却水压力变化（如压力增大）时，在控制阀开度不变时，其流量增大，聚合釜温度会降低。首先，流量增大，副控制器FC输出信号增大（“正”作用），使气关阀门开度减小，减小冷却水流量；其次，聚合釜温度降低，主控制器TC输出减小（“正”作用），FC给定值减小，FC输出增大，进一步关小控制阀，减小冷却水流量。这样可以有效地控制因冷却水压力增大，导致其流量增大所造成的聚合釜内温度降低的影响。
（5）如果冷却水温度经常波动，则应选择冷却水温度作为副变量，构成温度-温度串级控制系统。如题解8-5图2所示。

题解8-5图2 聚合釜温度-冷却水温度串级控制系统
（6）如果选择夹套内的水温作为副变量构成串级控制系统，其原理图如题解8-5图3所示。方块图如前所示，但其中的副对象是聚合釜夹套，副变量是夹套内的水温，副控制器是温度控制器T2C。副控制器T2C为“反”作用，主控制器T1C也为“反”作用。
题8-9图 串级均匀控制系统
9、10、题8-9图是串级均匀控制系统示意图，试画出该系统的方块图，并分析这个方案与普通串级控制系统的异同点。如果控制阀选择为气开式，试确定LC和FC控制器的正、反作用。
解 控制系统的方块图（略）。该控制系统的主对象是贮液罐，主变量是贮液罐内的液位，主控制器是液位控制器LC；副对象是排液管管道，副变量是排出液流量，副控制器是流量控制器FC；操纵变量是排出液流量。
该串级控制系统的副变量就是其操纵变量本身。
当控制阀选择为气开式时，LC应为“正”作用，FC应为“反”作用。
P168第9题未收录见书P161